中等倾角顺层高边坡结构优化与稳定性研究-中国矿业114网 - 银河娱乐官网,银河娱乐,银河娱乐场手机在线 
首页 >> 文献频道 >> 矿业论文 >> 正文
中等倾角顺层高边坡结构优化与稳定性研究
2018-05-15
通过现场调查、勘察以及试验等多种手段,在对中等倾角顺层边坡现状分析研究的基 础上,对边坡层面倾角小于台阶边坡角的不稳定边坡结构提出优化方案,采取放缓台阶坡面倾角、 增大台阶高度、减少平台数量等方法,并对具体参数进行计算分析,尽可能提高整体边坡角,在保证 整体边坡稳定性满足要求的前提下减少矿山废石剥离,兼顾了露天矿山开采的安全性与经济性。 边坡结构优化方案能明显提高边坡稳定性,为类似露天矿山边坡的设计提供借鉴和参考。
Serial No. 588 April. 2018 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 588期 2018 年 4 月第 4 期 页) 中等倾角顺层高边坡结构优化与稳定性研究 1 韩新平 ꢀ 卢晨怡 2 ( 1. 中冶华天工程技术有限公司;2. 安庆职业技术学院) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 通过现场调查、勘察以及试验等多种手段,在对中等倾角顺层边坡现状分析研究的基 础上,对边坡层面倾角小于台阶边坡角的不稳定边坡结构提出优化方案,采取放缓台阶坡面倾角、 增大台阶高度、减少平台数量等方法,并对具体参数进行计算分析,尽可能提高整体边坡角,在保证 整体边坡稳定性满足要求的前提下减少矿山废石剥离,兼顾了露天矿山开采的安全性与经济性。 边坡结构优化方案能明显提高边坡稳定性,为类似露天矿山边坡的设计提供借鉴和参考。 关键词ꢀ 中等倾角ꢀ 顺层高边坡ꢀ 优化方案ꢀ 稳定性 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2018. 04. 049 Structural Optimization and Stability Study on Bedding High Slope with Medium Angle 1 Han Xinping ꢀ Lu Chengyi 2 ( 1. MCC Huatian Engineering & Technology Corporation;2. Anqing Vocational & Technical College) Abstractꢀ Trough field investigation, exploration and test,the characteristics of bedding slope with medium angle is studied,the optimization scheme of the unstable structure slope that the slope layer angle is less than step slope angle is proposed,the detailed measures includes decreasing step slope angle,in- creasing step height and decreasing step numbers. The specific parameters of the above optimization scheme is calculated so as to increase the overall slope angle as much as possible,and reduce the strip- ping amount of mine waste rock under the premise of slope stability,therefore,the economic and safety of open-pit mine mining can be considered at the same time. The study results further show that the slope structural optimization scheme proposed in this paper is helpful for improving the slope stability signifi- cantly,and it can be provided some valuable reference for the design of open-pit mine slope. Keywordsꢀ Medium angle,Bedding high slope,Optimization scheme,Stability ꢀ ꢀ 露天矿山开采形成了很多的人工开挖边坡。 由 坡临界坡长与层面倾角成反比,厚度小的边坡更易 [2] 于边坡地质条件与结构参数的不同,边坡的结构形 式也多种多样。 在露天开采边坡中,顺层边坡是一 种不利于稳定的边坡结构形式,因此,对顺层边坡的 变形、稳定和结构优化显得尤为重要,直接关系到矿 山的安全生产与经济效益。 发生溃屈破坏。 李亮辉 在原位软弱结构面剪切 试验的基础上,采用力学分析和数值模拟相结合的 手段对顺层岩质边坡的变形破坏机制和稳定性进行 [ 3] 研究。 牛双建等 基于正交试验设计方法,采用极 限平衡法分析了边坡高度、结构面倾角、结构面黏聚 力、结构面摩擦角等多种因素对顺层岩质边坡稳定 顺层边坡的滑坡机理及稳定性一直是工程界较 为关注的问题,已有研究人员进行了相关研究。 王 [4] 性的影响。 张敏 采用地质成因分析的手段对边 [ 1] 在合理划分顺层边坡类型的基础上,系统研究 辉 坡的形成演化机理进行了分析研究,并在此基础上 建立边坡变形破坏机制的概念模型,最后提出了采 用抗滑桩或者锚拉抗滑桩的边坡治理方案。 毛明 了岩层厚度对顺层岩质边坡失稳机理,得出了厚层 夹薄层边坡稳定性系数与岩体厚度成反比,薄层边 [ 5] 等 在查明边坡结构特征以及地层岩性特征的前 提下,对一顺层边坡破坏机理和稳定性进行研究分 85 ꢀ ꢀ 韩新平(1981—),男,高级工程师, 210019 江苏省南京市。 1 总第 588 期 现代矿业 2018 年 4 月第 4 期 析,最后通过预应力锚杆对边坡进行加固。 朱晗迓 东采区西侧边坡主要地层,强风化,灰 ~ 深灰色,含 云母粉砂质白云岩,层纹厚0. 1 ~ 4 cm,由深浅两色 [ 6] 等 根据多层层状岩质边坡的溃屈破坏模式,采用 特殊函数理论进行分析,得出各层岩体溃屈曲线的 理论公式,并对边坡溃屈破坏的临界坡长和破坏位 置进行了求解。 上述研究基本都从顺层边坡的破坏 机理、影响因素和破坏模式上进行了研究,而对于露 天矿山顺层边坡结构如何优化,尤其是中等倾角顺 层边坡的研究较少。 本文以某露天矿顺层高边坡为研究对象,通过 现场地质调查、勘察和试验等对采场边坡结构、层面 结构、地层特征和物理力学特征进行研究,基于边坡 安全稳定和经济合理,对边坡结构进行优化及稳定 性分析。 1 ꢀ 边坡概况 1 . 1ꢀ 边坡现状 某露天开采磷矿设计采场顶部周界为 2 200 m 740 m(长×宽),底部周界为 1 820 m×20 m(长× × 宽),形成一个高 300 m 的底板边坡。 底板边坡段 高 10 m,沿矿体底板。 目前边坡高度为 250 m,边坡 台阶高 10 ~ 15 m,宽 5 ~ 10 m,台阶边坡倾角为 30° ~ 35°,整体边坡倾角为 23. 5°,边坡倾向 NE77°,层 面倾角为 25. 7° ~ 29°,层面倾向 NE72. 3° ~ 84. 8°, 为典型的顺层边坡。 边坡岩体裂隙发育,张裂缝宽 0 . 1 ~ 0. 3 cm,缝间充填物以泥质及岩屑为主,平均 间距为 0. 2 ~ 0. 4 m,结合差,岩体破碎,强风化 ~ 全 风化,雨水侵蚀后多呈砂状或黏土状。 边坡坡面现 状见图 1。 图 1ꢀ 边坡坡面现状 1 . 2ꢀ 边坡工程地质 该顺层边坡为一背斜东翼,边坡岩体结构除层 面外,另外有 2 组节理面,产状分别为 210° ~ 227° 65° ~ 80°、291° ~ 319°∠71° ~ 82°。 边坡面受 2 组 ∠ 节理切割,在边坡后缘易形成拉裂缝破坏。 雨水通 过裂隙渗入边坡内,造成边坡岩体抗剪强度降低,边 坡前缘临空,易产生顺层滑动。 边坡工程地质典型 剖面见图 2。 边坡岩体主要地层: 2 ( 1)梅树村组第二段(∈1 m ) 为构成晋宁磷矿 1 86 ꢀ ꢀ 韩新平ꢀ 卢晨怡:中等倾角顺层高边坡结构优化与稳定性研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年 4 月第 4 期 坡角总体按 26° ~ 29°确定。 2 . 2ꢀ 台阶高度 矿区所处位置雨季降雨量大,持续时间长,加上 边坡岩体比较破碎,在发生溃屈破坏之前就已经产 生沿软弱面的滑动破坏,因此,台阶边坡的高度可按 单台阶边坡的稳定性计算确定。 地震基本烈度按 8 度计,采用 Morgenstern-Price 法分别计算 20,24 和 图 2ꢀ 边坡工程地质典型剖面 相间构成,深色为粒状胶磷矿及粉砂,浅色为白云石 及泥质成分,一般厚 10 ~ 15 m,与黏土岩、砂页岩呈 3 0 m 高度下台阶边坡稳定性,结果见表 2。 表 2ꢀ 不同高度台阶边坡安全系数 厚度不一的互层。 1 ( 2)梅树村组第一段(∈1 m ) 为灰、灰白色薄- 台阶坡面角 (°) 不同高度台阶边坡安全系数 工况 中层状白云岩, 厚 7 ~ 25 m, 夹黑色薄层状 (0. 5 8 cm)燧石层,燧石常呈脉状及波状层理,有时呈 透镜状层理,该段夹有 20 余层燧石层,其频率约 8. 条/ m。 白云岩层厚 5 ~ 10 cm,燧石层厚 3 ~ 7 cm, 强风化。 / 20 m 24 m 1. 292 1. 151 1. 259 1. 129 1. 234 1. 106 1. 206 1. 086 30 m ~ 无地震 地震 1. 411 1. 258 1. 379 1. 234 1. 350 1. 211 1. 323 1. 191 1. 164 1. 040 1. 135 1. 017 1. 110 0. 998 1. 083 0. 977 26 27 28 29 5 无地震 地震 无地震 地震 ( 3)上震旦统灯影组(Zbdn)为勘察区内最古老 地层,厚度大于 300 m,浅灰色厚层状隐晶 ~ 细晶白 云岩,全 ~ 强风化,稍湿,碎块状。 无地震 地震 1 . 3ꢀ 边坡岩体物理力学性质 ꢀ ꢀ 从表 2 看出,台阶高度为 30 m 时,台阶边坡基 通过对边坡进行勘察与试验,得出边坡岩体物 本处于极限平衡或失稳状态,对安全生产不利;台阶 高度为 24 m 时,台阶边坡稳定性仅能满足要求,基 本无富余;台阶高度 20 m 时,安全系数稍高,具有一 定的安全储备,保证台阶边坡稳定性的同时,对整体 边坡稳定性起到积极作用,最终取台阶边坡高度为 理力学参数,见表 1。 表 1ꢀ 岩体物理力学参数 天然容重 黏聚力 摩擦角 ϕ/ (°) 地层岩性 3 γ/ (kN/ m ) c/ kPa 2 白云岩夹砂页岩、黏土岩(∈1 m ) 19. 4 25. 6 26. 1 37. 7 80. 0 13. 3 27. 0 32. 4 1 白云岩夹燧石层(∈1 m ) 2 0 m,大于现状边坡台阶高度。 . 3ꢀ 平台宽度 白云岩(Zbdn) 200. 0 2 ꢀ ꢀ 从上述边坡地质条件可以看出,边坡稳定性除 在确定台阶边坡倾角与台阶边坡高度的基础 了受降雨和岩体物理力学性质影响外,对该边坡影 响较大的因素是边坡结构,边坡前缘由于开挖造成 临空,后缘受节理裂隙切割,造成边坡在不利外因作 用下的顺层滑动。 上,根据安全和生产需要合理确定平台宽度。 该顺 层边坡无运输道路,在此仅考虑滚石的阻挡,因而确 定平台宽度可用滚石理论来计算。 采用 Rocscience [ 7] RocFall 对边坡滚石进行计算,该方法采用集中质 量法对滚石进行简化,即认为滚石形状为一具有质 量的质点,以保证某一级台阶上的所有滚石运动终 点落在该级平台上为标准,确定平台宽度。 滚石运 动计算的轨迹见图 3。 2 ꢀ 边坡结构优化 根据上述边坡结构现状,为了提高边坡结构自 身的稳定性,应放缓台阶坡面角,使其不大于层面倾 角,但由此造成整体边坡趋缓。 因此,采用提高台阶 高度、减少台阶来满足原先设计的整体边坡角,甚至 超过原先设计的整体边坡角,以减少矿山废石剥离。 2 . 1ꢀ 台阶坡面倾角 台阶剖面倾角可根据顺层边坡层面倾角 α 与 边坡角 β 的关系来确定。 当 α>β 时,边坡虽然是稳 定的,但边坡过缓,剥离量增大,不够经济;当 α<β 时,边坡处于不稳定状态;当 α = β 时,边坡是稳定 的。 通过对边坡岩体结构面产状调查分析,得出边 坡岩体层面倾角总体在 25. 7° ~ 29°,因此,台阶边 图 3ꢀ 滚石运动轨迹计算示意 1 87 总第 588 期 现代矿业 2018 年 4 月第 4 期 为减小剥离量,提高台阶边坡角,通过对不同台 阶高度、不同台阶坡面倾角组合下滚石运动的计算, 得出平台最小宽度的计算结果,见表 3。 表 3ꢀ 不同台阶高度与不同台阶倾角情况下的平台宽度 不同台阶坡面倾角下平台宽度 台阶高度 / m 3 0° 35° 40° 15 20 30 50 1. 5 2. 2 3. 2 5. 2 4. 1 5. 5 4. 6 6. 0 7. 3 8. 3 10. 1 13. 0 ꢀ ꢀ 根 据 边 坡 已 有 的 结 构 参 数, 对 应 取 台 阶 高 度 20 m,台 阶 边 坡 倾 角 30°, 平 台 宽 度 计 算 结 果 为 2. 2 m。 实际的平台宽度应在上述计算的基础上 适当增加安全距离,一般取 0 ~ 3 m,此处安全距离 取 2 m。 因此,在确定边坡结构时,取平台宽度不小 于 4. 2 m。 3 ꢀ 稳定性分析 根据上述边坡结构优化方案,采用 Morgenstern- Price 法对现状边坡、边坡结构优化前和优化后的边 坡稳定性进行分析,计算结果见图 4、表 4。 可以看 出,现状边坡在地震情况下不稳定;优化前终了边坡 在无地震与地震 2 种情况下,边坡都不稳定;而通过 优化的终了边坡在任何情况下都是稳定的。 因此, 在不放缓整体边坡角的前提下,通过对边坡结构进 行优化,边坡稳定性明显提高,对露天矿山开采的安 全性和经济性具有重要意义。 图 4ꢀ 边坡稳定性计算滑面 4 ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)由于现状边坡边坡层面倾角α小于台阶边 1 88 Serial No. 588 April. 2018 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 588期 2018 年 4 月第 4 期 表 4ꢀ 边坡稳定性计算结果 为类似露天矿山边坡的设计提供借鉴与参考。 边坡类型 现状边坡 工况 安全系数 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 无地震 地震 1. 127 0. 996 0. 888 0. 781 1. 153 1. 052 [ [ [ [ [ [ 1]ꢀ 王ꢀ 辉. 岩层厚度对顺层岩质边坡失稳机理的影响[ D]. 贵 阳:贵州大学,2009. 无地震 优化前终了边坡 优化后终了边坡 2]ꢀ 李良辉. 顺层岩质边坡软弱结构面原位剪切试验及其稳定性 分析研究[D]. 武汉:华中科技大学,2004. 地震 无地震 地震 3]ꢀ 牛双建,东兆星,李顺波,等. 顺层岩质边坡稳定性影响因素综 合分析[J]. 四川建筑,2008,28(5):81-85. 坡角 β,造成边坡前缘被开挖形成临空面,后缘受节 理裂隙切割,从而导致边坡自身结构不稳定滑动。 4]ꢀ 张ꢀ 敏. 缓倾角顺层岩质边坡稳定性分析与支护效果评价 [ D]. 成都:成都理工大学,2009. 5]ꢀ 毛ꢀ 明,周晓宇,周治平,等. 缓倾顺层岩质边坡变形破坏及处 治技术研究[J]. 路基工程,2015(6):178-182. ( 2)针对现状边坡的结构特点,放缓台阶坡面 倾角,使台阶坡面倾角等于层面倾角;增大台阶高 度,减少平台数量,合理确定平台宽度,尽可能提高 整体边坡角以减少矿山废石剥离,保证了露天矿山 开采的安全性与经济性。 6]ꢀ 朱晗迓,马美玲,尚岳全. 顺倾向层状岩质边坡溃屈破坏分析 [ J]. 浙江大学学报(工学版),2004,38(9):1144-1149. [7]ꢀ L R Alejano,B Pons,F G Bastante,et al. Slope geometry design as a means for controlling rockfalls in quarries[J]. International Jour- nal of Rock Mechanics&Mining Sciences,2007(44):903-921. ( 3)通过对边坡结构优化前、后的边坡稳定性 分析,该边坡结构优化方案能明显提高边坡稳定性, ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ ( 收稿日期 2018-03-07) ■ ( 上接第 173 页) 表 3ꢀ 各监测点水平及竖直位移统计 竖直位移 水平位移 倾斜变形 水平变形 移动角 监测点 / mm / mm ꢁ0. 6 ꢁ0. 8 ꢁ1. 0 ꢁ1. 2 ꢁ1. 5 ꢁ1. 9 ꢁ3. 2 ꢁ4. 5 ꢁ6. 2 ꢁ15. 8 ꢁ34. 2 ꢁ52. 3 ꢁ75. 3 ꢁ98. 2 / (mm/ m) / (mm/ m) / (°) # 1 ꢁ0. 8 ꢁ1. 0 # 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 03 0. 04 0. 13 0. 13 0. 17 0. 96 1. 84 1. 81 2. 3 57 60 62 65 67 70 72 75 77 79 82 84 86 2 # 3 ꢁ1. 2 # 4 ꢁ1. 8 0 0 . 06 . 17 # 5 ꢁ3. 5 # 6 ꢁ5. 0 # 0. 15 0. 16 7 ꢁ6. 6 # 8 ꢁ9. 1 # 9 ꢁ22. 0 ꢁ43. 8 ꢁ79. 5 ꢁ106. 6 ꢁ147. 2 ꢁ190. 4 0 1 . 25 . 29 # 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 # # # # 2. 18 3. 57 2 . 71 ꢀ ꢀ 注:移动角数据由图 7 测量所得。4. 06 移动角确定为 75°。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 4 . 32 2. 29 # 图 9ꢀ 11 监测点位移变化情况 移为ꢁ43. 8 mm,水平位移为 ꢁ15. 8 mm,倾斜变形 为 2. 18 mm/ m,水平变形为 0. 96 mm/ m,在允许变 [ 1]ꢀ 高延法,张庆松. 矿山岩体力学[M]. 徐州:中国矿业大学出版 社,2000. # 形范围内;11 监测点竖向位移为ꢁ79. 5 mm,水平位 [2]ꢀ 解世俊. 金属矿床地下开采( 修订版) [ M]. 北京:冶金工业出 版社,1979. 移为ꢁ34. 2 mm,倾斜变形为 3. 57 mm/ m,水平变形 为 1. 84 mm/ m,均大于允许变形值。 结合我国建构 筑物破坏等级的标准对受开采影响的建构筑物进行 [ 3]ꢀ 河南理工大学. 峰峰集团有限公司万年矿村庄下采煤采动损 害判定与研究[R]. 焦作:河南理工大学,2004. [ 4]ꢀ 杜维吾,刘宝琛. 金属矿山地表移动与变形规律[C] / / 第五届 全国矿山岩体力学学术会议论文集. 北京:中国有色金属学会 采矿学术委员会岩体力学专业委员会,1992:35-38. # 评判,模型中 10 监测点对应的开采移动角为 77°, 即矿山最大允许的开采移动角应小于 77°。 矿山 上、下盘围岩为同一岩性,故确定矿山上、下盘围岩 开采最大移动角均为 77°。 在保证盲竖井安全的前 [ 5]ꢀ 麻凤海,王永嘉. 地层沉降控制的可变形离散单元模拟[J]. 岩 石力学与工程学报,1999(2):176-179. ꢀ ꢀ 汪ꢀ 亮(1982—),男,高级工程师,硕士,243000 安徽省马鞍山 ( 收稿日期 2018-02-02) 提下,为进一步确保矿山生产安全,该萤石矿开采 市经济技术开发区西塘路 666 号。 1 89
  • 中矿传媒与您共建矿业文档分享平台下载改文章所需积分:  5
  • 现在注册会员立即赠送 10 积分


皖公网安备 34050402000107号

博聚网